為了使高效的氫能源技術成為現實——從透過電解產生氫氣到下一代化學燃料電池——科學家需要確切地瞭解單個氫原子如何在水中移動。
一箇中性的水分子包含兩個氫原子和一個氧原子鍵合而成，整個結構彎曲，使分子具有部分正極和部分負極，就像磁鐵一樣。如果您可以放大一杯水，您會看到數萬億個這樣的分子，以及一些失去電子的過量單個氫原子（換句話說，只是質子）。 200年來，研究人員一直推測，這些質子透過附著到最近的分子並踢掉已經鍵合在那裡的質子之一，從一個水分子跳到另一個水分子。然後，這個質子與下一個鄰居結合。現在，北京的一個科學家團隊首次在顯微鏡下對這些粒子進行了成像，有助於闡明這些跳躍是如何發生的。
模型預測，這個過程最常以兩種方式發生。 一種方式是，質子直接與單個水分子結合，將其從中性分子變成正離子。三個周圍的中性水分子定向，使其部分負極穩定這種電荷。另一種選擇是，額外的質子位於兩個中性水分子的負極之間，以便每個分子分擔正電荷的負擔。
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研究人員能夠透過原子力顯微鏡驗證這些方向——這是一種透過在表面上的凸起上追蹤專用針頭的奈米級尖端來生成影像的技術。利用這種儀器，北京師範大學的化學家郭晶和她的同事們對冷凍在金屬片上的分子級水網路進行了成像，並揭示了額外的質子如何改變該網路。他們的工作發表在《科學》雜誌上。
需要極其靈敏的測量才能區分兩種水構型。“質子沿氫鍵的位置僅相差約 20 皮米，”郭說——不到氫原子本身長度的一半。“經過長期努力，我們非常非常興奮能夠弄清楚其背後的圖片。”
該團隊發現，這兩種構型以不同的頻率和比例出現，具體取決於水冷凍到的金屬種類。他們還利用電力迫使水在不同的設定之間來回翻轉。“他們能夠[直接]觀察到這些事物，真是令人震驚，”德國帕德博恩大學的理論化學家托馬斯·庫恩說，他沒有參與這項工作。“它為研究[氫氣產生]背後的機制打開了大門，”他說。“也許由此會產生好東西。”